一种燕尾坎与楔形槽组合的掺气设施

技术领域

本发明属于泄水建筑技术领域，涉及一种燕尾坎与楔形槽组合的掺气设施，该新型的掺气设施可用于溢洪洞内各个洞段之间的导流、掺气、减蚀，尤其适用于设置常规掺气设施掺气效果不明显的小底坡溢洪洞，通过该新型掺气设施通入足够数量的空气可以有效改善下游水流负压，提高负压区的绝对压力，使绝对压力大于水的汽化压力，空化现象不再发生，从而能够避免空蚀现象，防止下游发生空蚀破坏以及保障泄水建筑物等水利工程设施的安全。

背景技术

在现有的减蚀技术中，主要分为三种形式：提高结构润湿面材料的抗蚀性能、控制过流表面的不平整度和掺气减蚀，其中掺气减蚀的优势在于：

1)通过向可能发生空化的区域掺气，消减固壁上的空化荷载，可降低空蚀率。

2)通过掺气槽掺气后的水流携气效果明显，可使泄水建筑物下游受到掺气设施的保护。

3)技术成熟，造价经济，适应性强，同时对泄洪洞内的流态影响很小。

掺气减蚀设施的体型设计主要有挑坎、跌坎、突扩和掺气槽等几种单一或者将之结合的联合掺气设施，例如：挑坎+跌坎、挑坎+槽+跌坎、槽+跌坎及挑坎+槽。掺气减蚀有许多优点的同时，也存在自身或环境局限性，而目前掺气减蚀在实际工程中存在的不足之处在于：

1)常规掺气设施一般对于小底坡溢洪洞长期效果不明显。较难保持临界掺气空腔大小，若空腔过大，水流易于串顶，若空腔过小，则掺气效果不佳。

2)掺气设施施工工艺要求高，稍有不慎容易使得挑坎成为空化源，轻则影响工程后续掺气减蚀的效果，重则破坏泄水建筑物的泄水连续性。

3)以往过大的掺气槽体积会带来严重的槽内积水问题，使得通风口发生间歇性通气现象，易引起掺气设施结构振动，既影响其使用寿命和消能效果，也会导致掺气效率降低。

4)传统的连续坎只能进行单维度导流，无法根据上游流态调整挑射水舌的高度及入水角度。

5)掺气槽下游侧倾斜角度过大，会导致回溯水流强度增大，同时也不利于槽内积水的排出。

为减小或消除下泄水流到达水垫塘前发生空化空蚀并将其与各泄洪建筑物段平顺连接，其间常设置掺气槽以增加水流掺气率。受环境地形限制及技术水平等诸多因素影响，部分掺气设施结构设计不够合理，当上游水头和流量较大、流态较为复杂时，下游水舌射流的流态也会变得复杂，经常导致水流串顶和水翅现象的发生，这样不仅会剥蚀泄水建筑物的边壁，也会使得下游重新引发空化空蚀现象。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种设计新颖、受力简单、结构合理、造价经济的燕尾坎与楔形槽组合的新型掺气设施，以实现在相同水头和流量、不影响水流流态的条件下，增加水流掺气率，减少甚至消除空化空蚀现象的发生，同时也能降低造价。本发明结构兼具引导水流及掺气减蚀的作用，在保证下泄水流顺利过渡到不同泄水建筑物段、改善下游水流掺气不足和负压过大现象的同时，利用其特有的体型特点，通过楔形掺气槽的作用减少或消除掺气槽内积水，缩短掺气槽长度，降低投资成本，亦避免掺气槽受到下游回溯水流影响。

为了达到上述目的，本发明技术方案：

一种燕尾坎与楔形槽组合的掺气设施，包括两个相同结构和尺寸的通风管1、一个楔形掺气槽2和一个燕尾挑坎3；楔形掺气槽2的前端与燕尾挑坎3的尾端固定连接，两个通风管1安装在楔形掺气槽2的两侧，且与楔形掺气槽2内部连通；

所述的楔形掺气槽2，为直角三角楔形，包括掺气槽底板21、掺气槽背板23、掺气槽左侧壁24和掺气槽右侧壁22；掺气槽背板23位于上游侧，与来流方向一致，竖直布置，掺气槽底板21倾斜布置，掺气槽背板23的底端与掺气槽底板21的前端固定连接；掺气槽左侧壁24和掺气槽右侧壁22，分别与掺气槽底板21的两侧和掺气槽背板23的两侧固定连接，形成顶端开口的楔形槽；掺气槽背板23的上沿与燕尾挑坎3尾端底部表面齐平且固定连接；掺气槽左侧壁24和掺气槽右侧壁22高于掺气槽背板23，高出部分与燕尾挑坎3的尾端固定连接；掺气槽底板21的尾端与下游的溢洪洞底板固定连接，掺气槽底板21的尾端与燕尾挑坎3前端底部表面齐平；

所述的通风管1包括左侧通风管11和右侧通风管12；掺气槽左侧壁24和掺气槽右侧壁22上设有通孔，左侧通风管11和右侧通风管12分别竖直对称布置在掺气槽左侧壁24和掺气槽右侧壁22的外侧，通过通孔使左侧通风管11和右侧通风管12与楔形掺气槽2连通；通风管1的底部与掺气槽底板21相切；掺气槽左侧壁24的三条边均与左侧通风管11相切；掺气槽右侧壁22的三条边均与右侧通风管12相切。

所述的燕尾挑坎3包括左挑坎31和右挑坎33与中挑坎33，三者宽度一致，总宽度与泄水建筑物宽度相同，具体为：均匀布置左挑坎31、右挑坎33与中挑坎32的宽度，以保证中间水流在掺气设施下游不串顶，两侧水流不产生水翅等不利流态，让其横向均匀流入下一段泄水建筑物，最大限度保护下游泄水建筑物底板及侧壁不被水流剥蚀，实现稳定导流；左挑坎31和右挑坎33的高度相同，中挑坎33的高度低于左挑坎31和右挑坎33；根据上游来流水流流速、流态，设计左挑坎31、右挑坎33与中挑坎32的高度。

本发明的有益效果在于：

1)燕尾挑坎可灵活调整高度，通过其对上游三股流态不均水流的流态校正，改善下游水流流态，将多股对流态不利的纵向扩散的支流汇合成为一股平顺的主流，消除多余的机械能，使上游水流达到流态均布，既有利于水流的平稳导流，也利于水流的充分掺气，使水流对下游泄水建筑物底板和侧壁的危害达到最小。

2)楔形掺气槽摒弃以往梯形掺气槽槽内易积水的缺点，其槽内体积处于临界量级，适用于缓底坡泄水建筑物与小Fr水流，可让回溯水流不易流入槽内，增大通风管通气率、空腔体积和水流掺气率，减小甚至消除泄水建筑物下游空化空蚀现象的发生，由此减轻下游的防护工作，带来较大的经济效益。

3)相比于方形通气管，采用圆形通气管可增大通气效果，有利于空腔的扩大、水流的掺气。

4)楔形掺气槽设计简便、易于工程施工、造价经济、易于检修。

5)燕尾挑坎迎水面受力合理，坎身与泄水建筑物底板贴合，使其结构稳固，且不易成为空化源。

附图说明

图1为本发明的燕尾坎与楔形槽组合的新型掺气设施的三维图示意；

图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)和图2(e)分别为带倒三角楔体尾墩的消能池的俯视图、前视图、后视图、左视图和右视图。

图中：1通风管；2楔形掺气槽；3燕尾挑坎；

11左侧通风管；12右侧通风管；21掺气槽底板；22掺气槽右侧壁；23掺气槽背板；24掺气槽左侧壁；

31左挑坎；32中挑坎；33右挑坎。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的燕尾坎与楔形槽组合的新型掺气设施包括管风管1、楔形掺气槽2和燕尾挑坎3。

图2(a)～图2(e)所示，本实施例的燕尾坎与楔形槽组合的新型掺气设施包括两个相同结构的柱状通风管11和12、一个楔形掺气槽2(包括掺气槽底板21、掺气槽右侧壁22、掺气槽背板23和掺气槽左侧壁24)和燕尾挑坎3(包括左挑坎31、右挑坎33与中挑坎32)。

首先布置燕尾挑坎3。左挑坎31、右挑坎33与中挑坎32宽度按照1:1:1布置，均为4m，总宽度与泄洪洞宽度相同，下游侧与掺气槽背板23齐平且固定连接，底部与溢洪洞底板固定连接，高度布置方式为左挑坎31与右挑坎33顶部距泄洪洞底板0.6m，中挑坎32顶部距泄洪洞底板0.35m，坡度为1:10。

随后布置通风管1与楔形掺气槽2。左侧通风管11和掺气槽左侧壁24与右侧通风管12和掺气槽右侧壁布置方式相同，以下以左侧布置方式为例：左侧通风管11的直径为0.8m；掺气槽背板23的高度为左侧通风管11直径的1.25倍，即1m，且与燕尾挑坎的背水面处于同一水平面；掺气槽左侧壁24的长直角边与燕尾挑坎3底板处于同一水平面；左侧通风管11与掺气槽左侧壁24的长直角边和掺气槽背板23的短边相切且与掺气槽左侧壁24固定相连；掺气槽左侧壁24的斜边与左侧通风管11相切，且延伸到与燕尾挑坎3处于同一水平面。

本发明结合实例的工作过程如下：

泄洪时，上游水流沿着溢洪洞倾泄而下，在抵达下一段溢洪洞段之前，通过燕尾挑坎3时，两侧的两股高势能水流和中间的高流速水流，分别经过左挑坎31、右挑坎33和中挑坎32的流态校正，多股对流态不利的纵向扩散的支流在到达掺气槽上方形成水舌的过程中逐渐合并成为一股连续性良好的平顺主流，与下游水流衔接良好，没有发生水舌串顶或水翅封边等不利现象。

楔形掺气槽2采用缓底坡设计，掺气槽内多余的积水不易于积攒的同时使其向下游倾泄，导致回溯水流无法上壅，通风管1中间歇性通风现象消失，同时使通风管1的通风效率与空腔体积大幅度增大，在一定的条件下，空腔高度可达到临界高度，即最大限度的延伸空腔体积，但又不至于导致水舌串顶，大大增强了掺气效果，减小了掺气槽体积，降低了造价成本，使水流对下游泄水建筑物底板和侧壁的危害达到最小，减小甚至消除泄水建筑物下游空化空蚀现象的发生，由此减轻下游的防护工作，确保下游泄水建筑物免遭空蚀破坏，有效地解决了泄水建筑物下游掺气减蚀的问题。

采用本发明的一种燕尾坎与楔形槽组合的新型掺气设施，下游水流流态平稳、掺气充足；观测发现，泄水建筑物下游边壁和底板沿程空化数均大于初始空化数，掺气减蚀效果显著。